Hệ thống rào chắn linh hoạt giảm thiểu rủi ro đá rơi, đá lăn trên các tuyến đường giao thông vùng núi Việt Nam

HỆ THỐNG RÀO CHẮN LINH HOẠT<br /> GIẢM THIỂU RỦI RO ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN TRÊN<br /> CÁC TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG VÙNG NÚI VIỆT NAM<br /> <br /> NGUYỄN ĐỨC MẠNH*<br /> LÊ ANH ĐỨC*<br /> <br /> <br /> Flexible facing systems for rockfall protection on the roads of mountain<br /> area in Vietnam<br /> Abstract: In mountainous areas of Vietnam often rock slope on the roads<br /> has bluff, high height, and less attention is paid to preventing instability of<br /> slope. Therefore, the rockfall ... often appears not only in the rainy season,<br /> even in the dry season on many national highways, provincial roads and<br /> railways. Flexible facing systems for rockfall protection from high-tensile<br /> steel wire up to 1770 MPa is applied to prevent rockfall, rolling stone has<br /> long been good results in many European countries, America or Japan,<br /> China National, Taiwan, South Korea, Australia, India ... but not used in<br /> Vietnam.Based on theoretical analysis, preliminary numerical simulation<br /> for 03 section of rock slope with different characteristics of rock, the<br /> research results show many positive prospects of applying this rockfall<br /> protection barriers to prevent rock falling, rolling on the mountain roads<br /> of our country in the near future.<br /> Keywords: Flexible facing systems, rockfall protection, slope, rockfall<br /> <br /> 1. ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN TRÊN CÁC TUYẾN đường Hồ Chí Minh, các quốc lộ 3, 3B, 4A, 4B,<br /> GIAO THÔNG VÙNG NỨI * 4D, 6, 12, 14, 15, 34, 70, 217, 279, các tuyến<br /> Hiện tượng các tảng hay cục đá kích thước Tỉnh lộ ở vùng núi ... hay đường sắt Bắc Nam<br /> khác nhau, tách rời khỏi sườn và rơi hay lăn và Hà Nội – Lào Cai, hàng năm thường xuyên<br /> xuống chân dốc đột ngột thường gọi đá rơi, đá xuất hiện đá lở, đá rơi, ảnh hưởng nghiêm trọng<br /> lở. Xảy ra rất phổ biến trên các sườn dốc cấu tạo đến an toàn khai thác công trình, kinh tế cũng<br /> từ các đá cứng nứt nẻ mạnh, thuộc phần ta luy như con người. Chẳng hạn, các ngày 3/6 và 3/8<br /> dương các tuyến giao thông vùng núi nước ta năm 2018 vừa qua, liên tiếp hai vụ đá rơi trên<br /> Các sườn dốc đá cứng thuộc ta luy dương QL12 (Lai Châu – Điện Biên Phủ) làm phá hủy<br /> nền đường đào vùng núi thường dốc đứng (góc 2 ô tô, 1 người chết và bị thương 5 người<br /> dốc 60o÷90o), chiều cao lớn (thường từ 30-50m [12,13]. Hay 29/7/2018 trên QL3B tại Na Rì<br /> đến 70-90m), được cấu tạo từ các loại đá thành tỉnh Bắc Kạn, đá lở gây hư hỏng nghiệm trọng 1<br /> phần, tính chất, mức độ phong hóa và nứt nẻ xe ô tô [15]. Trước đó 22/5/2014, có vụ tai nạn<br /> khác nhau. Nhiều tuyến đường quan trọng như nghiên trọng do đá rơi, đá lở từ taluy dương trên<br /> đường lên núi Cấm ở An Giang gây phá hủy 1 ô<br /> *<br /> tô và làm chết 6 người [14]. Thiệt hại và nguy<br /> Khoa Công trình, Trường ĐH GTVT<br /> hiểm thường trực là vậy, nhưng cho tới nay<br /> DĐ: 098 5376810<br /> Email: ndmanhgeot@gmail.com<br /> “giải pháp” “sống chung với trượt lở đất đá”<br /> <br /> <br /> 70 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019<br /> vẫn đang được lựa chọn chủ yếu với ta luy đúng mức hơn. Và khi đó, việc áp dụng các<br /> dương trên các tuyến đường giao thông hay giải pháp kỹ thuật mới, trong đó có sử dụng<br /> các sường dốc đá gần khu dân cư ở vùng núi hệ kết cấu “mềm” kết hợp neo giữ bằng đinh<br /> ở nước ta. Cùng với sự phát triển kinh tế của đá với lưới thép cường độ cao chống ăn mòn<br /> đất nước, thời gian tới việc quan tâm hơn (hệ lưới - neo) để ngăn giữ đá lở, đá rơi trên<br /> trong việc phòng chống mất ổn định sườn dốc các sườn dốc đá nói chung có nhiều triển<br /> đá nói chung sẽ được quan tâm và coi trọng vọng áp dụng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Đá rơi trên QL12 tại Điện Biên ngày Hình 2. Đá lở trên QL3B tại Bắc Kạn ngày<br /> 3/6/2018 (Nguồn Internet, [13]) 29/7/2018 (Nguồn Internet, [14])<br /> <br /> 2. ĐẶC ĐIỂM, CƠ CHẾ VÀ LOẠI HÌNH ổn định ở dạng trượt, lở, đá đổ đá lăn. Tùy theo<br /> MẤT ỔN ĐỊNH SƯỜN DỐC ĐÁ PHỔ BIẾN đặc điểm cấu trúc đá (tính phân lớp, đặc điểm<br /> Trong bản thân khối hay tảng đá trên sườn nứt nẻ và phong hóa), sườn dốc đá có thể trượt<br /> dốc luôn tồn tại lực liên kết giữa các phân tử, theo mặt phẳng, dạng nêm, cong hay đá đổ sập<br /> lực dính bám, liên kết giữa các khối và các [1,10,11].<br /> tầng đất đá, lực ma sát… các lực đó được gọi Theo D.J. Varnes (1978), [11], phân loại<br /> chung là lực giữ. Chúng giữ cho đất đá tạo theo hình thái dịch chuyển khối đất đá, tương<br /> thành một thể thống nhất và chịu được các tác ứng có sáu hình thái dịch chuyển trên sườn dốc<br /> nhân khác như trọng lực, lực đẩy ngang, lực như: (1) Kiểu rơi (fall); (2) kiểu lật đổ (topple);<br /> cắt… [1,2]. Sườn dốc sẽ ổn định khi tổng các (3) kiểu trượt (sliding); (4) kiểu lôi kéo lan<br /> tác nhân đó nhỏ hơn tổng các lực giữ, còn khi rộng – trượt trôi (spreading); (5) kiểu chảy –<br /> chúng vượt quá tổng các lực giữ thì các liên kết dòng (flow); (6) kiểu hỗn hợp (complex). Theo<br /> trong đất đá bị phá vỡ, sườn dốc sẽ bị mất cân phân loại này, với 6 kiểu dịch chuyển trên xét<br /> bằng về lực và gây nên các hiện tượng mất ổn tương ứng cho 3 loại vật liệu trên sườn dốc là<br /> định như trượt, sụt lở sườn dốc, đá đổ… đá, vụn đất đá và đất, có 29 dạng dịch chuyển<br /> [1,2,3,10,11]. Mất ổn định sườn dốc đá có nét sườn dốc cụ thể được xác định. Và hiện nay,<br /> đặc thù riêng, có thể là quá trình phát triển lâu trên nền tảng phân loại của Varnes (1978), Hội<br /> dài, hoặc xảy ra đột ngột và có mức độ nguy trượt đất quốc tế (ICL) phân chia thành 34<br /> hiểm cao. Khi sườn dốc đã đạt đến trạng thái dạng mất ổn định sườn dốc cụ thể. Với loại vật<br /> giới hạn (chênh cao địa hình), kết hợp thêm tác liệu đá, các dạng dịch chuyển phổ biến như đá<br /> nhân tức thời như mưa lớn, nước ngầm, tải rơi, đá đổ, đá trượt, đá lăn và dạng hỗn hợp<br /> trọng lớn tác dụng… [1,2,10,11] thì sẽ gây mất trượt đá với lở đá [10].<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 71<br />  3. HỆ THỐNG RÀO CHẮN LINH HOẠT qua sự phân tán năng lượng nhờ sự dịch chuyển<br /> NGĂN GIỮ ĐÁ RƠI, ĐÁ LĂN hệ thống dây cáp và lưới qua hệ puli, cóc hãm,<br /> Lưới thép cường độ cao chống ăn mòn được phanh hấp thụ lực khi tảng đá rơi hay lăn xuống<br /> sử dụng làm hệ thống hàng rào ngăn giữ hay lưới thép của hàng rào [6,8,9] (hình 3).<br /> chặn các khối, tảng đá lăn, đá rơi rơi trên địa Lưới thép trong hệ thống được tạo nên từ các<br /> hình dốc xuống công trình cần bảo vệ. Hệ thống sợi thép hay cáp dạng xoắn cường độ chịu kéo<br /> có thể ngăn chặn tác động của các tảng đá với cao từ 1770 MPa đến 2550MPa, chịu được tác<br /> động năng tối đa theo điều kiện thiết kế cụ thể. động từ các yếu tố môi trường thông thường và<br /> Hệ thống bao gồm các cấu trúc cố định chặt (cột chống ăn mòn bằng lớp mạ đặc biệt [4,5]. Phần<br /> thép, đế móng, neo ghim giữ), các cấu trúc hỗ lưới này là bộ phận chịu và nhận tác dụng trực<br /> trợ và cấu trúc linh hoạt tự điều chỉnh (bánh xe tiếp của ngoại lực – đón nhận tảng khai khối đá<br /> chạy - puli, cóc hãm chữ U, hệ thống dây cáp rơi, nó có tính chất đàn hồi hoặc dẻo, truyền tải<br /> phụ trợ, phanh hấp thụ lực) nhằm tiêu năng khi trọng lên các bộ phận liên kết, kết cấu hỗ trợ và<br /> đá rơi vào lưới và các cấu trúc kết nối, nên được nền đất đá. Với tính năng này, hệ thống rào chắn<br /> gọi hệ thống kết cấu linh hoạt. Hệ thống này lưới thép cường độ cao được sử dụng cho năng<br /> được gọi “linh hoạt” vì chúng làm việc theo lượng tác động từ 100 kJ lên đến 10000 kJ<br /> nguyên tắc hấp thụ năng lượng tảng lăn thông [6,8,9].<br /> <br /> <br /> Cáp hãm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Cột<br /> Puli thép<br /> <br /> Neo cáp<br /> <br /> <br /> <br /> Bản đế<br /> Móng bê<br /> tông<br /> <br /> <br /> Neo móng cột<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ hệ thống rào chắn linh hoạt Hình 4. Hệ thống rào chắn linh hoạt ngăn giữ<br /> ngăn giữ đá rơi, đá lăn [8] đá rơi, đá lăn (Nguồn Geobrugg)<br /> <br /> Hệ thống rào chắn linh hoạt ngăn giữ đá lở, trên đỉnh và chân cột thép trượt trong trường<br /> đá lăn gồm: cột thép gắn trên hệ đế móng và hợp có tác động tránh bị căng đứt, để tiêu<br /> đóng vai trò định hình hàng rào và truyền tải giảm năng lượng khi đá rơi xuống lưới thép;<br /> trọng, đỉnh cột được thiết kế các lỗ tròn để cóc hãm chữ U được gắn theo chiều ngang ở<br /> liên kết với các chi tiết dây cáp, bánh xe chạy hai đầu của dây cáp thép có chứng năng hãm<br /> (puli)...; hệ đế móng được thiết kế đặt vào các dịch chuyển khi cần thiết; bộ phận neo cáp<br /> loại nền đất đá ổn định, gồm đinh neo, bản lề biên được thiết kế với đầu neo linh hoạt tới<br /> thép, các bu lông và được bảo vệ bằng bệ bê 30° so với mặt đất để có thể chịu tải tối đa,<br /> tông hay bê tông cốt thép; bánh xe chạy (puli) làm cho cóc hãm chữ U, lực truyền xuống neo<br /> có chức năng như ròng rọc cho dây cáp thép được giảm đi nhiều, tránh phá hủy hệ thống<br /> <br /> <br /> 72 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019<br /> hàng ràng; phần hệ thống dây cáp phụ trợ trên, Động năng của tảng lăn chuyển động tịnh<br /> dưới, giữa, bên, biên hay dây cáp dọc cột thép tiến xác định theo công thức sau:<br /> của hệ thống, đóng vai trò truyền tải các lực Wđ = (m.V2 )/2 (1)<br /> đầu cột vào bộ phận neo dây cáp thép; và cuối trong đó: m - khối lượng của tảng lăn định danh;<br /> cùng là bộ phận phanh hấp thụ lực (U Break), V - vận tốc tảng lăn định danh.<br /> được lắp đặt kết hợp cùng dây cáp trợ lực tại Khi xét đến động năng tảng đá rơi có<br /> các vị trí xung yếu nhằm phân tán năng lượng chuyển động quay khi lăn, động năng của tảng<br /> khi hệ thống vượt quá sức chịu tải của vật xác định théo (2):<br /> nặng tác động trực tiếp vào hệ thống lưới thép W = Wđ + W ω (2)<br /> [6,7,8,9]. trong đó: Wđ – động năng tịnh tiến theo<br /> 4. TÍNH TOÁN KHI THIẾT KẾ HỆ chiều rơi;<br /> THỐNG HÀNG RÀO CHẮN LINH HOẠT Wω - Động năng quay của tảng khi lăn, Wω<br /> BẰNG LƯỚI THÉP CƯỜNG ĐỘ CAO = (I x ω 2)/2. Với I, là mô men quán tính tảng<br /> CHỐNG ĂN MÒN NGĂN GIỮ ĐÁ RƠI, khi lăn; và ω, là vận tốc góc của tảng khi lăn.<br /> ĐÁ LĂN Thế năng của tảng lăn định danh nhỏ nhất<br /> Thông số cần thiết sử dụng khi phân tích khi tính đến chiều cao nảy lên của tảng đá khi<br /> phục vụ thiết kế hệ thống rào chắn linh hoạt rơi hay lăn xác định bằng công thức sau:<br /> bằng lưới thép cường độ cao chống ăn mòn Wt = m.g.H (3)<br /> cần có gồm chiều cao, độ dốc, chiều dài và trong đó: m - khối lượng của tảng lăn định<br /> chiều rộng bờ dốc; đặc điểm địa chất trong danh;<br /> đó cần có thông tin dự báo tảng đá lớn nhất H - chiều cao nảy của tảng lăn định danh;<br /> có khả năng mất ổn định; và vị trí dự kiến g - Gia tốc rơi tự do.<br /> lắp đặt. Thay thế việc xác định bằng giải tích, để<br /> Ổn định của hàng rào ngăn đá lăn phụ xác định các thông số cơ bản phục vụ thiết kế<br /> thuộc vào sự bố trí các cột và cáp neo giữ theo hệ thống rào chắn bằng lưới thép, có thể sử<br /> động năng định danh, được tính toán theo dụng các phần mềm chuyên dụng. Để có cơ sở<br /> từng mô hình đá lăn cụ thể. Để xác định chiều đánh giá bước đầu ứng dụng này, chúng tôi sử<br /> cao tối ưu của hàng rào có thể thực hiện theo dụng số liệu tại 03 vị trí bờ dốc ta luy dương<br /> mô hình đá lăn và sử dụng phần mềm mô trên đường đi Bắc Kạn cấu tạo đá vôi nứt nẻ<br /> phỏng, xác định được chiều cao nảy lên của mạnh, các yếu tố về bề rộng, hình thái, chiều<br /> tảng đá cũng như quỹ đạo lăn (văng) của nó. cao, góc dốc khác nhau. Sử dụng bán kính (D)<br /> Còn với kích thước định danh hàng rào ngăn và khối lượng (m) của tảng đá định danh nguy<br /> đá lăn, đá rơi xác định phụ thuộc vào năng cơ bị rơi tương đồng, góc dốc của bờ dốc ()<br /> lượng tảng lăn lớn nhất xác định theo công gần giống nhau, ứng dụng phần mềm mã<br /> thức (1). Vị trí bố trí hàng rào theo kết quả nguồn mở Ruvolum mô phỏng bài toán đá rơi<br /> tính toán thế năng của tảng lăn định danh Wt (Rockfall) để phân tích, cho phép xác định<br /> nhỏ nhất xác định theo (3), vị trí mặt bằng được chiều cao nảy của tảng đá, năng lượng<br /> thuận tiện thi công, không ảnh hưởng đến các va chạm tới hàng rào, quĩ đạo đường đi của<br /> công trình lân cận, cũng như nơi cần bảo vệ tảng, và định danh chiều cao tối thiểu hàng<br /> [6,8,9]. rào cần thiết kế (bảng 1 và hình 5a,5b,5c).<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 73<br />  Bảng 1. Kết quả phân tích độ nảy, năng lượng va chạm và xác định chiều cao cột cũng như<br /> lưới thép trong hệ thống rào chắn linh hoạt bằng phần mềm Ruvolum/Rockfall 6.1<br /> <br /> Năng lượng<br /> Chiều cao Chiều cao Chiều cao<br /> Các thông số va chạm<br /> Lý trình bờ dốc, H đá nảy lớn hàng rào tối Ghi chú<br /> chung lưới thép<br /> (m) nhất (m) thiểu (m)<br /> (kJ)<br /> 01 mặt cơ<br /> Km96+400 55 493 1,78m 3,0<br /> hẹp<br /> D= 0,75m<br /> 01 mặt cơ<br /> Km96+500 40 m= 4948 kg 525 2,70m 3,0<br /> rộng<br /> =60o-70o<br /> 02 mặt cơ<br /> Km105+050 48 752 1,62m 3,0<br /> hẹp<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Km96+400 b) Km96+500 c) Km105+050<br /> Hình 5. Kết quả phân tích quĩ đạo lăn, độ nảy của tảng đá rơi và năng lượng va chạm<br /> hệ thống hàng rào lưới thép cường độ cao bằng phần mềm Ruvolum/Rockfall 6.1<br /> <br /> Kết quả phân tích các thông số thiết kế rào nên công cụ này cũng là giải pháp hỗ trợ tốt<br /> chắn linh hoạt bằng lưới thép cường độ cao trong thiết kế thời gian tới tại nước ta.<br /> chống ăn mòn ngăn giữ đá rơi, đá lăn tiến hành Ngoài hiệu quả ngăn giữ đá rơi, đá lăn rất tốt<br /> trên phần mềm mở Ruvolum khá dễ dàngvà trên bờ dốc khi sử dụng hệ thống kết cấu linh<br /> thuận tiện. Việc chưa có công trình thực tế nào hoạt hàng rào bằng lưới thép cường độ cao<br /> kiểm chứng tại nước ta, nhưng đã được kiểm chống ăn mòn ở nhiều nước châu Âu như Thụy<br /> chứng tại rất nhiều nước trên thế giới [6,8,9], Sỹ, Áo, Bồ Đào Nha, hay châu Mỹ, Hàn Quốc,<br /> <br /> 74 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019<br /> Nhật Bản, Hồng Kông, Ấn Độ, Trung Quốc … 4. EOTA EAD 230025-00-0106 (2016).<br /> còn cho thấy nhiều ưu điểm nổi bật như: giữ European Assessment Document (No EAD<br /> nguyên hiện trạng bờ dốc khi thi công; vừa thi 230025-00-0106 - 6/2016).<br /> công vừa khai thác các tuyến đường; không ảnh 5. EOTA ETA 17/0711 - 17/0720 (2016).<br /> hưởng nhiều tới thầm thực vật đã có, thân thiện European Technical Approval (No ETA<br /> với môi trường; thiết bị gọn nhẹ, ít vật liệu; thi 17/0711 - ETA 17/0720).<br /> công được trên địa hình cao và dốc đứng; thi 6. EOTA (2010). European Technical<br /> công nhanh và đảm bảo ổn định lâu dài [8,9]… Approval, Rockfall protection barrier GBE (No<br /> là thế mạnh của công nghệ mới này. ETA – 09/0262).<br /> 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 7. EUROCODE 7. Geotechnical design, Part<br /> Hầu hết bờ dốc đá trên các tuyến giao thông 1: General rules. 2004.<br /> vùng núi nước ta chưa được bảo vệ đúng mức 8. Geobrugg (2014). Maintenance manual<br /> nên thường xuyên xảy ra hiện tượng đá lở, đá GBE/RXE-series 100kJ – 8000kJ. Switzerland.<br /> rơi và đá lăn. 9. Geobrugg (2008). GBE rockfall protection<br /> Hệ thống hàng rào chắn linh hoạt bằng lưới barriers: The most economic barrier from high-<br /> thép cường độ cao chống ăn mòn để ngăn giữ đá tensile steel wire. Switzerland.<br /> rơi, đá lăn trên các tuyến giao thông vùng núi 10. Hungr, O, Leroueil, S and Picarelli, L.<br /> nhằm giảm thiểu rủi ro về người và tài sản, là (2014). The Varnes classification of landslide<br /> giải pháp có độ tin cậy, phù hợp và cần được types, an update, Landslides, Volume 11, Issue<br /> nghiên cứu cũng như áp dụng ở Việt Nam. 2, pp 167–194.<br /> 11. Varnes, DJ. (1978). Slope movement<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO types and processes. In Special report 176:<br /> Landslides: Analysis and Control, Transportation<br /> 1. Nguyễn Sỹ Ngọc (2014). Cơ học đá. NXB Research Board, Washington, D.C.<br /> Giao thông Vận tải. Hà Nội. 12. https://news.zing.vn/da-roi-de-bep-xe-<br /> 2. Nghiêm Hữu Hạnh (2005), Cơ học đá. khach-16-cho-post865876.html<br /> NXB Xây dựng. Hà Nội. 13. https://www.nguoiduatin.vn/da-lan-de-<br /> 3. Nguyen Duc Manh (2016). Features, nat-o-to-4-cho-1-nguoi-tu-vong-o-lai-chau-<br /> generation mechanism and urgent treatment a372625.html<br /> solution to the large landslide at Chi Luong 14. https://phunutoday.vn/anh-nong-da-lo-<br /> resettlement area, Muong Lay Town, Dien Bien de-bep-oto-6-nguoi-chet-d13304.html<br /> Province. The 3rd Internatioal Conference 15. http://www.baobackan.org.vn/channel/2<br /> VIETGEO 2016, ISBN: 978-604-62-6726-3, 262/201807/lo-da-gay-tac-duong-tai-dia-phan-<br /> pp. 244-251. deo-ang-toong-5593102/<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: PGS, TS. ĐOÀN THẾ TƯỜNG<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1+2 - 2019 75<br />